DE29715248U1 - Windenergieanlage - Google Patents
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Description
DE 7367 .· Pp ;
Dipiom-IPhy siker
Reinfried Frhr. v. Schorlemer
Karthäuserstr. 5A 34117 Kassel Allemagne
Telefon/Telephone (0561) 15335
(0561)780031
Telefax/Telecopier (0561)780032
Institut für Solare Energieversorgungstechnik - Verein an der Universität Gesamthochschule
Kassel e.V., 34119 Kassel
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Gattung.
Bekannte Windenergieanlagen dieser Art sind mit Regelvorrichtungen zur Nachführung
der Gondelposition entsprechend der jeweiligen Windrichtung versehen, wobei die Gondelverstellung mit Hilfe wenigstens eines in der Gondel montierten Stellglieds
erreicht wird, das z.B. aus einem elektrischen Getriebemotor besteht, auf dessen
Antriebswelle ein Ritzel befestigt ist, das sich mit einem mit dem Turm fest verbundenen
und zur Turmachse koaxialen Zahnrad im Eingriff befindet (US-PS 4 966 525). Zur Stabilisierung dieser Einrichtung in der Sollposition sind in der Regel zusätzlich mechanische
Bremsen (sogenannte Azimutbremsen) vorgesehen, die bei konstanter Windrichtung eine Abschaltung der Motoren ermöglichen bzw. ein selbsttätiges Herausdrehen der
Gondel aus dem Wind auch bei abgeschalteten Motoren verhindern. Alternativ sind außerdem Stellglieder in Form von hydraulischen Antrieben bekannt (z.B. Georg Böhmeke
in "Hydraulic Yaw System for a Megawatt-Scale Wind Turbine", 1996 European Union
Wind Energy Conference). Beide Systeme erfordern einen großen konstruktiven Aufwand,
da die beteiligten Komponenten (Zahnkränze, Bremsen, Getriebe usw.) beim Betrieb
starken Belastungen ausgesetzt sind und daher sehr widerstandsfähig ausgelegt werden
müssen. Außerdem hat die durch die Azimutbremsen bewirkte mechanische Kopplung
-2-
zwischen der Gondel und dem Turm zur Folge, daß z.B. durch einseitige Windstöße auf
die Gondel ausgeübte Drehschwingungen auch auf den Turm übertragen werden und zu
einer verstärkten Beanspruchung im oberen Bereich des Turms führen.
Entsprechende Antriebe werden dazu benötigt, um von Zeit zu Zeit eine Entdrillung der
im Turm verlegten, zur Übertragung der elektrischen Energie erforderlichen Kabel zu
ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Windenergieanlage der eingangs
bezeichneten Gattung so auszubilden, daß eine Drehung der Gondel in eine vorgewählte
Richtung, insbesondere in die jeweilige Windrichtung, mit weniger konstruktivem Aufwand und unter Erzeugung geringerer mechanischer Belastungen als bisher durchgeführt
werden kann. Das soll außerdem unabhängig davon möglich sein, ob die Gondel drehbar am Turm gelagert ist oder ob, was auch möglich wäre, die Gondel zusammen mit
dem Turm oder einem Teil des Turms um eine im wesentlichen vertikale Achse gedreht
werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß wegen der frei drehbaren Lagerung der
Gondel eine wirksame Entlastung des Turms erzielt wird. Der konstruktive Aufwand wird
dadurch reduziert, daß die Drehung der Gondel durch eine entsprechende Verstellung der
Blatteinstellwinkel der Rotorblätter erfolgt, wozu die zur Begrenzung der elektrischen
Leistung ohnehin häufig vorhandenen und konstruktiv einfachen Rotorblatt-Verstelleinrichtungen
verwendet werden können, zu deren Betätigung wegen der großen Rotorumlaufzeiten von z.B. 3 s bei modernen Großanlagen nur vergleichsweise kleine Drehmomente
und Verstellgeschwindigkeiten benötigt werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die erfindungsgemäße Drehung ohne zusätzliche mechanische Belastung des Turms oder
anderer Teile der Windenergieanlage sowie unter zumindest teilweiser Kompensation von
betriebsbedingten, zyklischen Belastungen der Rotorblätter und daher häufiger als bisher
durchgeführt werden kann. Daraus resultieren eine präzisere Ausrichtung der Gondel zum
-3-Wind,
ein geringerer mittlerer Gondelfehler und ein höherer Energieertrag.
ein geringerer mittlerer Gondelfehler und ein höherer Energieertrag.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: 5
Fig. 1 bis 3 in je einer schematischen Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht eine
herkömmliche Windenergieanlage und ihre verschiedenen Drehachsen;
Fig. 4 eine Darstellung des Schlagbiegemoments und dessen Zerlegung in Nick- und
Gierkomponenten;
Fig. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für die Windenergieanlage
nach Fig. 1 bis 3;
Fig. 6 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils für die
Gondelposition;
Fig. 7 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils zur
Kompensation von Nickmomenten des Rotors;
20
20
Fig. 8 bis 10 anhand von Schaubildern den Verlauf verschiedener, im Rahmen der
Erfindung bedeutsamer Größen;
Fig. 11 eine Computer-Simulation der erfindungsgemäßen Regelung im Produktionsbetrieb;
Fig. 12 eine Computer-Simulation der erfindungsgemäßen Regelung bei der Durchführung
eines außerordentlichen Verstellmanövers; und
Fig. 13 eine Ausführungsform der Blattverstelleinrichtung mit hydraulischem Antrieb.
Nach Fig. 1 bis 3 enthält eine übliche Windenergieanlage einen Turm 1, an dessen
oberem Ende eine Gondel 2 um eine im wesentlichen vertikale Achse &zgr; drehbar gelagert
• · &ogr;
-4-
ist, die der Turmachse entspricht. Am Vorderende der Gondel 2 ist ein Rotor 3 um eine
im wesentlichen horizontale, zur z-Achse senkrechte Rotorachse &khgr; drehbar gelagert. Der
Rotor 3 trägt drei Rotorblätter 4, 5 und 6 mit bei Windenergieanlagen allgemein üblichen
Querschnittsformen und mit Längsachsen a, b und c, die hier im wesentlichen senkrecht
zur Achse &khgr; angeordnet und um diese Achse &khgr; herum in im wesentlichen gleichmäßigen
Winkelabständen von je 120° angeordnet sind. Jedes Rotorblatt 4, 5 und 6 ist einzeln und
unabhängig von den anderen um seine Langsachse a, b bzw. c drehbar am Rotor 3
gelagert. Die Blatteinstellwinkel sind, bezogen auf eine von der Bauart des Rotors 3
abhängige Nullposition, nachfolgend mit ft, ß2 und ß3 und allgemein mit ft bezeichnet.
Außerdem ist der Rotor 3 in Windrichtung vor dem Turm 1, d.h. luvseitig angeordnet,
was sich bei großen Windenergieanlagen im Leistungsbereich von 100 kW und mehr allgemein durchgesetzt hat.
Infolge des Winddrucks kommt es zur Ausbildung von parallel zur x-Achse auf die
Rotorblätter 4,5,6 wirkenden Schubkräften, die in Fig. 1 bis 3 durch die Einzelkräfte F1,
F2 und F3 dargestellt sind.
Insgesamt ergeben sich am Rotor 3 der Windenergieanlage folgende Drehmomente. Zunächst
wird das übliche, um die Rotationsachse &khgr; als Drehachse wirksame Antriebsmoment
MRot (Fig. 2) des Rotors 3 erzeugt, das über die Rotorwelle den mit dieser
verbundenen Generator antreibt, elektrische Leistung erzeugt und von den eingestellten
Blatteinstellwinkeln ft abhängt. Dies gilt insbesondere auch, wenn alle Rotorblätter 4, 5
und 6 auf konstante und identische Blatteinstellwinkel ft um die Achsen a, b und c
eingestellt werden. Sind die Blatteinstellwinkel ft für die drei Rotorblätter 4, 5 und 6
unterschiedlich, dann ergibt sich außerdem ein resultierendes Giermoment M0J61 (Fig. 3),
das die Gondel 2 um die Gier- bzw. Turmachse &zgr; zu drehen versucht, aber keinen Antrieb
um die x-Achse erzeugt. Dieses Moment M0161. kann durch Veränderung der Blatteinstellwinkel
ft, ß2 und ß3 beeinflußt werden und wird erfindungsgemäß u.a. zur Windnachlaufregelung
benutzt. Dazu ist die Gondel 2 um die Achse &zgr; frei drehbar, d.h. ohne Anbringung irgendeiner mechanischen Bremse od. dgl. am Turm 1 gelagert.
Schließlich werden die Rotorblätter 4, 5 und 6 durch den Wind bzw. durch die Schubkräfte
F1, F2 und F3 um parallele, nahe ihrer Lagerpunkte am Rotor 3 angeordnete und im
-5-
wesentlichen senkrecht zu den Achsen a, b, und c verlaufende Achsen, deren Lagen von
der Drehstellung des Rotors 3 abhängig sind, auf Biegung beansprucht. Dadurch entstehen
einzelne Biegemomente Mm, MB2 und M83, die sog. Schlagbiegemomente, die z.B. mit
Hilfe von nahe den Wurzeln der Rotorblätter 4, 5 und 6 angeordneten Sensoren bzw.
Meßaufnehmern 7 (Fig. T), z.B. Dehnungsmeßstreifen, ermittelt werden können. Aufgrund
eines Anstiegs der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ist die aerodynamische Schubkraft eines in der oberen Hälfte des Rotorkreises befindlichen Rotorblatts 4 (z.B. F1)
in der Regel höher als die Schubkraft eines in der unteren Hälfte befindlichen Rotorblatts
5 (z.B. F2). Daher kommt es während eines Rotorumlaufs zu zyklischen Schwankungen
der Belastung, die zu einer erhöhten Materialermüdung und einer Verringerung der
Lebensdauer der Anlage führen können. Als Maß für diese wechselnde Belastung kann ein
resultierendes, durch unterschiedlich große Kräfte F1, F2 und F3 erzeugtes, auf den Rotor
3 wirkendes Nickmoment MNick (Fig. 1) um eine im wesentlichen senkrecht zu den Achsen
&khgr; und &zgr; stehende Achse y_ dienen. Das Nickmoment dient ebenfalls nicht dem Antrieb des
Rotors 3, sondern belastet die Konstruktion der Windenergieanlage, da die Gondel 2 um
die y-Achse nicht ausweichen kann.
Die zum Verständnis erforderlichen Teile einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind
in Fig. 5 dargestellt. Darin sind zunächst die Gondel 2 und der Rotor 3 durch je einen
entsprechenden Block repräsentiert. Der Block 3 enthält einen ersten, schematisch
dargestellten Ausgang M0^, der andeuten soll, daß das vom Wind auf den Rotor 3
ausgeübte Drehmoment M061 die Gondel 2 um einen Winkel &ggr; um die z-Achse zu drehen
versucht. Fin weiterer Ausgang des Blocks 3 ist mit einem Block 8 verbunden, der alle
zwischen dem Rotor 3 und einem von diesem angetriebenen Generator 9 befindlichen
Getriebe, Wellen, Kupplungen usw. repräsentiert, und deutet an, daß das von den Rotorblättem
4, 5 und 6 erzeugte Drehmoment MRot über den Block 8 den Generator 9 antreibt.
An einem dritten Ausgang des Blocks 3 kann der mittels eines üblichen Sensors ermittelte
Drehwinkel &phgr; (vgl. auch Fig. 2) abgenommen werden, während schließlich an einem
vierten Ausgang des Blocks 3 die für die Ermittlung des Nickmoments MNi<;k geeigneten,
von den Sensoren 7 (Fig. T) erzeugten Ausgangssignale abgenommen werden können.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die aerodynamischen Kräfte des Rotors 3 zur
Windrichtungsnachführung bzw. allgemein zur Gondelverstellung auszunutzen. Die
■ ·
-6-
senkrecht zur Rotorebene (yz-Ebene in Fig.2) erzeugten aerodynamischen Schubkräfte
hängen von den Einstellwinkeln ß{ der Rotorblätter ab. Durch getrennte, zyklische
Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 während jedes Rotorumlaufs wird erreicht, daß ein
resultierendes Drehmoment M061. bezüglich der Turmachse &zgr; auftritt, das aufgrund der
freien Beweglichkeit der Gondel 2 zu einer Verdrehung der Gondel führt. Die Bewegung
der Gondel 2 wird dabei so geregelt, daß die Gondelausrichtung nach einer bestimmten
Zeit mit einer vorgebbaren Sollposition übereinstimmt. Die Sollposition kann wie bei
bekannten Systemen zur Windrichtungsnachführung aus dem Meßsignal eines Windrichtungsmeßgeräts
abgeleitet werden.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist zu diesem Zweck allgemein wie folgt aufgebaut.
Mittels eines die Windrichtung liefernden Meßaufnehmers oder Sensors 10 wird ein
Sollwert yKf für die Gondelposition erzeugt. Die Ermittlung der Gondelsollposition könnte
auch auf andere Weise erfolgen. Zum Beispiel besteht die Möglichkeit, aus anderweitig
verfügbaren Meßdaten auf die vorherrschende Windrichtung zu schließen oder die Gondelsollposition unabhängig von der Windrichtung nach anderen Kriterien festzulegen.
Der Sollwert yKi wird in einem Vergleicher 11 mit einem Istwert &ggr; der Gondelposition
verglichen, der z.B. von einem üblichen, in der Gondel 2 montierten Positionsgeber
erzeugt wird. Die resultierende Regelabweichung &Lgr;&ggr; wird einem Regler zugeführt. Zur
Diskretisierung der Regeldifferentialgleichungen beim Einsatz digitaler Regelgeräte können
Standardverfahren benutzt werden (z.B. Rolf Isermann in "Digitale Regelsysteme", Band
1, Springer-Verlag 1988). Der in Fig. 5 durch Blöcke 12 und 13 dargestellte Regler liefert
in noch zu beschreibender Weise Stellsignale für Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16, die
auf je ein zugeordnetes Rotorblatt 4, 5 bzw. 6 einwirken. Dadurch werden die Rotorblätter
4, 5 und 6 auf solche unterschiedliche Blatteinstellwinkel ßi (/S1 für Rotorblatt 4, /S2 für
Rotorblatt 5 bzw. /S3 für Rotorblatt 6) eingestellt, daß von ihnen unterschiedliche Schubkräfte
entwickelt, insgesamt ein Drehmoment M0161 um die z-Achse erzeugt und die
Gondel 2 dadurch in die Windrichtung eingestellt wird. Hat die Gondel 2 infolge dieser
Regelung die der jeweiligen Windrichtung entsprechende Sollposition erreicht, wird diese
Position mittels der Regelvorrichtung aufrecht erhalten.
Damit nicht jede geringfügige und schnelle Änderung der häufig starken Schwankungen
unterworfenen Windrichtung in die Regelung eingeht, ist zwischen den Sensor 10 und den
Vergleicher 11 ein Sollwertgeber 17 in Form einer Vorsteuerung für die Gondelposition
geschaltet. Die Aufgabe des Sollwertgebers 17 besteht im wesentlichen darin, in an sich
bekannter Weise das Ausgangssignal des Sensors 10 zu filtern und ggf. in einen sich nur
langsam ändernden Sollwert umzuwandeln. Außerdem kann der Sollwertgeber 17 mit einer Schwellwertschaltung od.dgl versehen sein, die z.B. immer nur dann einen neuen
Sollwert am Ausgang des Sollwertgebers 17 erscheinen laßt, wenn sich die Windrichtung
um einen vorgewählten Mindestwinkel von z.B. 3° geändert hat und diese Änderung eine
vorgewählte minimale Zeitspanne von z.B. einigen Sekunden erhalten bleibt. Zusätzlich
kann der durch Filterung des Windrichtungsmeßwerts ermittelte Verlauf des Sollwerts so
korrigiert werden, daß die erste und zweite zeitliche Ableitung bestimmte vorgegebene
Grenzwerte zu keinem Zeitpunkt überschreiten. Die maximale zweite Ableitung des Positionssollwerts (Drehbeschleunigung) bestimmt die zur Gondelverstellung benötigten
Blatteinstellwinkelausschläge, die im Interesse eines geringen Stellaufwands möglichst
klein gehalten werden sollen. Die erste Ableitung des Positionssollwerts (Drehgeschwindigkeit)
muß ebenfalls begrenzt werden, da die Kreiselkräfte, die die Rotorblätter 4, 5 und
6 belasten, mit der Verstellgeschwindigkeit zunehmen.
Zur Erreichung einer optimalen Flexibilität ist es vorteilhaft, die Regelung mit Hilfe von
Microcomputern zu realisieren. Dabei ist es zweckmäßig, die Funktion des Blocks 12 des
Reglers in einem im Turm 1 (Fig. 1) oder in der Gondel 2 untergebrachten Rechner zu
implementieren, während die übrigen Reglerfunktionen durch einen im Rotor 3 oder
dessen Nabe untergebrachten und damit rotierenden Controller od.dgl. realisiert werden.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß nur wenige Signale von der Gondel 2 in den an ihr
drehbar gelagerten Rotor 3 übertragen werden müssen, was z.B. mit Hilfe von Schleifringanordnungen,
Funkstrecken od. dgl. erfolgen kann. Dies ist in Fig. 5 durch einen Übertrager 18 dargestellt, der in einer strichpunktiert angedeuteten Trennebene 19
zwischen der Gondel 2 und dem Rotor 3 angeordnet ist.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Windrichtungsnachführung
bzw. Drehung der Gondel 2 nicht wie bisher durch motorische Verstellung der Gondel 2,
sondern durch eine einzeln und unabhängig voneinander bewirkte Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 erfolgt. Dieses wird nach einer besonders bevorzugten, in Fig. 5
dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Rotorblätter 4, 5 und 6 in
-8-
Abhängigkeit von der Regelabweichung &dgr; &ggr; zyklisch verstellt werden. Das bedeutet, daß
sich die Verstellung auch in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Rotors 3, d.h.
in Abhängigkeit vom Winkel &phgr; (Fig. 2) ändert. Mit besonderem Vorteil haben dazu die
die Blatteinstellwinkelverstellung bewirkenden Stellsignale einen harmonischen, durch
Sinus- bzw. Cosinusfunktionen ausdrückbaren Verlauf, wobei die Periodendauer der
Stellsignale mit der Umlaufbewegung des Rotors 3 übereinstimmt. Dies dient, wie weiter
unten erläutert ist, vor allem dem Zweck, die Windrichtungsnachfuhrung der Gondel 2 so
zu gestalten, daß dadurch keine zusätzlichen Nickmomente auf den Rotor 3 ausgeübt bzw.
konstruktionsbedingte, unvermeidbare Nickmomente beseitigt oder zumindest reduziert
werden. Unter "zyklischer" Ansteuerung der Rotorblatt-Verstelleinrichtungen ist daher im
Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, daß die Stellsignale auch vom Drehwinkel
&psgr; des Rotors 3 abhängen.
Zur Vereinfachung der Regelvorrichtung ist es besonders zweckmäßig, den Block 12 des
Reglers, der allgemein als Positionsregler für die Gondel 2 bezeichnet werden könnte, so
auszubilden, daß er in Abhängigkeit vom Eingangssignal, der Regelabweichung &Dgr;&ggr;, als
Ausgangsgröße ein Signal ßK erzeugt, das lediglich die Anforderung eines bestimmten,
von allen drei Rotorblattern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Giermoments beinhaltet. Dem
Block 12 braucht daher weder die jeweilige Rotorstellung mitgeteilt werden, noch braucht
er ein oder mehrere Ausgangssignale abgeben, die sich zyklisch ändern. Das Signal ßH
entspricht z.B. der maximalen Amplitude, mit welcher die Rotorblätter 4, 5 und 6 um
einen voreingestellten BlatteinsteUwinkel zyklisch schwanken sollen, der benötigt wird, um
die Regelabweichung auf Null zurückzuführen. Dabei ist der Einfachheit halber angenommen,
daß diese Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4, 5 und 6 identisch ist, was
im allgemeinen besonders vorteilhaft ist.
Ein Beispiel für die praktische Ausführung des Blocks 12 ist in Fig. 6 dargestellt, nach
der der Block 12 ein PID-Regler mit je einem Proportionalzweig 19, einem Integralzweig
20 und einem Differentialzweig 21 ist.
30
30
Das Ausgangssignal ßH des Blocks 12 wird über den Übertrager 18 einem ersten Eingang
des Blocks 13 zugeführt, der zur Berechnung der verschiedenen BlatteinsteUwinkel ft
anhand des Wertes ßK und des über einen weiteren Eingang zugeführten Rotorwinkels &phgr;
dient. Im Ausführungsbeispiel gibt der Block 13 an drei Ausgängen je ein Stellsignal in
Form eines Sollwerts /3iref bzw. j31>ref, /32,ref und /J3>ref, ab, der dem Eingang je einer
zugeordneten der Verstelleinrichtungen 14, 15 bzw. 16 zugeführt wird. Die Aufspaltung
der Größe ßH in einzelne Blatteinstellwinkel /3; erfolgt daher erst im Block 13.
5
Im beschriebenen Beispiel sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 zweckmäßig
ihrerseits als Regeleinrichtungen ausgebildet, die die zugeführten Stellsignale /?iref als
Sollsignale erhalten, diese mit entsprechenden Istsignalen der Blatteinstellwinkel ßt
vergleichen und aus der ermittelten Regelabweichung die Blatteinstellung vornehmen. Zu
diesem Zweck sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 z.B. mit je einem elektrischen
oder hydraulischen Antrieb versehen. Die für die Regelung der Verstelleinrichtung
benötigten Komponenten bilden daher zusätzlich zu den Blöcken 12 und 13 Bestandteile
des eigentlichen Reglers.
Eine Ausführungsform einer hydraulischen Blattverstelleinrichtung ist in Fig. 13 dargestellt.
Als Verstellantrieb dient dabei ein hydraulischer Stellzylinder 42, wobei die Längsbewegungen des Kolbens auf einen mit dem Rotorblatt 6 (in Fig. 13 ausgespart)
starr verbundenen Verstellring 43 übertragen werden. Für jedes Rotorblatt ist eine
separate Verstelleinrichtung vorhanden, so daß die Blatteinstellwinkel der einzelnen
Rotorblätter 4, 5 und 6 getrennt und unabhängig voneinander verstellt werden können.
Die Erzeugung der Stellsignale ßi>Ki erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise nach einer
Steuerfunktion, deren Amplitude ßH in der oben erläuterten Weise vom Block 12 geliefert
wird und hier durch die Formel
25
25
(D
gegeben ist, worin i die laufende Nummer der vorhandenen Rotorblätter 4, 5 bzw.
angibt, während m die Zahl der vorhandenen Rotorblätter bedeutet. Bei drei Rotorblättern
mit Winkelabständen von je 120° ist daher
30
30
-10-
fit* - &bgr;&agr; · Ax (9+Wn (3)
= &bgr;&EEgr; -sin (&phgr;+240°), (4)
woraus der sinusförmige Verlauf der Blattverstellungen bzw. der Blatteinstellwinkel ft im
Zuge einer Umdrehung des Rotors 3 berechnet werden kann. Als Ergebnis werden um
einen Mittelwert (hier z.B. 0) schwankende Blatteinstellwinkel ft erhalten. Maximale bzw.
minimale Blatteinstellwinkelausschläge ±ßH ergeben sich, wenn das entsprechende
Rotorblatt (z.B. Rotorblatt 4 in Fig. 2) parallel zur positiven bzw. negativen y-Achse, d.h.
horizontal, steht. In vertikaler Stellung des entsprechenden Rotorblatts nimmt der
Blatteinstellwinkel den Wert des mittleren Blatteinstellwinkels an (hier Null).
Da die an den Rotorblättern 4, 5 und 6 angreifenden Schubkräfte mit zunehmendem
Blatteinstellwinkel abnehmen, bedeutet das in Fig. 2, daß die Schubkraftwirkung auf der
rechten Seite (negative y-Achse) verringert und auf der linken Seite (positive y-Achse)
vergrößert und damit ein resultierendes Drehmoment M0J61. erzeugt wird, das die Gondel 2
in Fig. 3 von oben betrachtet im Uhrzeigersinn um die z-Achse zu drehen versucht.
Die Vorgabe eines von ßK unabhängigen Blatteinstellwinkels erfolgt gemäß Fig. 5 mit
Hilfe einer weiteren Regelvorrichtung, die als Stellglieder ebenfalls die Verstelleinrichtungen
14, 15 und 16, jedoch als Regler außer dem Block 13 im wesentlichen einen Block 23
enthält, dessen Ausgang über den Übertrager 18 mit einem weiteren Eingang des Blocks
13 verbunden ist und ein Signal ß0 liefert. Das Signal ft, dient zur Begrenzung der elektrischen
Leistung und dem Schutz der Windenergieanlage vor Überlastung und hat eine Verstellung der drei Rotorblätter 4, 5 und 6, ausgehend von ihrer Nullposition, um gleiche
Winkel und in demselben Drehsinn zur Folge. Für den Fall, daß /SH = 0 gilt, nehmen
somit alle drei Stell- bzw. Sollwerte ft>ref den Wert ft, an. Bei ßH Φ 0 werden die von ßH
abhängigen Sollwerte ft>ref dagegen um den Wert ß0 modifiziert, d.h. die durch /3H zyklisch
veränderten Blatteinstellwinkel ft schwanken jetzt nicht um ß0 — 0, sondern um einen
-11-
durch &bgr;0 Φ O vorgegebenen mittleren Blatteinstellwinkel. Rechnerisch kann dies dadurch
dargestellt werden, daß ß0 als Summand in der oben angegebenen Gleichung (1) erscheint:
-A+Ar-«fr fr* J (5)
mit der Folge, daß für ßH = 0 für alle Rotorblätter &bgr;-, = ß0 gilt.
Im Hinblick auf ß0 kann, abhängig vom jeweiligen Anlagentyp, auf bekannte Regelungskonzepte
zurückgegriffen werden (S. Heier: "Windkraftanlagen im Netzbetrieb", B.G.
Teubner, Stuttgart, 2. Auflage 1996, S. 313ff.). Dies ist in Fig. 5 für Anlagen mit starrer
Drehzahl dadurch angedeutet, daß mittels eines geeigneten Meßaufnehmers oder Sensors,
der im Generator 9 untergebracht ist, ein den Istwert der erzeugten Leistung P angebendes
Signal erzeugt wird. Dieses Istsignal wird in einem Vergleicher 24 mit einem vorgegebenen
Sollwert Pref verglichen. Die ermittelte Regelabweichung &lgr; P wird dem Block 23
zugeführt, der analog zum Block 12 als Regler wirkt, der lediglich einen Mittelwert ß0
vorgibt, der im Block 13 in Sollsignale für die einzelnen Verstelleinrichtungen 14, 15 und
16 umgewandelt wird. Bei Anlagen mit variabler Drehzahl ist ein weiterer Sensor vorhanden, der ein der momentanen Drehzahl &eegr; entsprechendes Signal liefert, das in
einem Vergleicher 25 mit einem entsprechenden Sollwert n„f verglichen wird. Die
Regelabweichung An wird ebenfalls dem Block 23 zugeführt, der daher insgesamt als
Leistungs- und Drehzahlregler bezeichnet werden könnte und an einem weiteren Ausgang
ein Signal M„f liefert, das einem weiteren Stellglied in Form eines Frequenzumrichters 26
zugeführt wird, der die vom Generator 9 erzeugte elektrische Energie frequenzvariabel
aufnimmt und mit einer anderen Frequenz, z.B. 50 Hz, in das elektrische Netz einspeist.
In Abhängigkeit von M„f werden in an sich bekannter Weise im Frequenzumrichter 21
enthaltene Leistungsschalter so angesteuert, daß das Drehmoment oder die elektrische
Leistungsabgabe des Generators geregelt bzw. beeinflußt wird. Insgesamt erfolgt in
diesem Fall die Regelung auf Nennleistung unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl
n. Zur Realisierung des Blocks 23 kann auf bekannte Regelkonzepte zurückgegriffen
werden.
-12-
Die hier angegebene Struktur der Leistungs- und Drehzahlregelung stellt nur eine von
vielen möglichen Ausführungsformen dar. So kann z.B. anstelle der elektrischen Leistung
auch das Drehmoment des Generators geregelt werden.
Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die
Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 schließlich auch als Stellglieder einer dritten Regelvorrichtung
verwendet, die dem Zweck dient, schädliche, vom Wind auf die Rotorblätter 4, 5 und 6 bzw. auf den Rotor 3 ausgeübte Belastungen durch Änderungen der Blatteinstellwinkel
& zu reduzieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Blatteinstellwinkel
ßi so zu regeln, daß sie das von allen Rotorblättern 4, 5 und 6 erzeugte Nickmoment
reduzieren, ohne dadurch die oben beschriebene Regelung des Windrichtungsnachlaufs für
die Gondel 2 wesentlich zu beeinträchtigen. Erreicht wird dies z.B. dadurch, daß die vom
Block 13 abgegebenen Stellsignale j8i>ref entsprechend modifiziert werden. Nach einer
besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch diese Modifizierung zyklisch und
insbesondere mit Hilfe einer harmonischen Steuerfunktion, die eine Amplitude ßw vorgibt,
die in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel &phgr; des Rotors 3 schwankt.
Die Amplitude /3V könnte z.B. anhand von geschätzten, z.B. aus dem aktuellen Windverhalten
abgeleiteten Informationen über das Nickmoment des Rotors 3 ermittelt oder festgelegt werden. Der Anstieg oder Abfall der Windgeschwindigkeit mit der Höhe läßt
sich z.B. je nach Geländeform durch einen Höhenwindgradienten beziffern (Comission of
the European Communities: "European Wind Atlas", Ris0 National Laboratory, ISBN 87-550-1482-8,
Roskilde). Damit ist es möglich, den vertikalen Verlauf der Windgeschwindigkeit abzuschätzen und das Nickmoment mit Hilfe eines aerodynamischen Rotormodells
zu bestimmen.
Bevorzugt wird jedoch die aus Fig. 5 ersichtliche Ausführungsform vorgesehen. Darin
wird das momentane Nickmoment durch Messung der oben erläuterten Biegemomente mbi>
mb2 und Mb3 (Schlagbiegemomente) der Rotorblätter 4, 5 und 6 mit Hilfe der
Sensoren 7 (Fig. T) ermittelt. Es wäre zwar möglich, das Biegemoment nur an einem
einzigen Rotorblatt zu messen, doch wäre die Meßgenauigkeit, bezogen auf das Nickmoment,
dann geringer. Außerdem ist es nicht notwendig, die Biegemomente in zwei Achsen zu messen. Es genügt vielmehr, eine Bezugsachse zu wählen, die bei einem Blatteinstell-
-13-
winkel von z.B. ca. 5° senkrecht auf der Rotorebene steht. In diesem Fall muß bei
Abweichung des Blatteinstellwinkels von diesem Bezugswert der Meßwert um den anteiligen Einfluß des Blatteigengewichts korrigiert werden. Die Kalibrierung der
Meßaufnehmer 7 kann vorteilhaft im Leerlaufbetrieb (dem sog. Trudeln) durchgeführt
werden, da in diesem Betriebszustand die betreffenden Biegemomente im wesentlichen von
dem bekannten Eigengewicht der Rotorblätter abhängen.
Aus den in der yz-Ebene nach Fig. 1 bis 3 erzeugten Schlagbiegemomenten MB1, MB2,
M33 kann das Nickmoment, wie in Fig. 4 dargestellt ist, durch rechnerische Projektion auf
die horizontale y-Achse unter Verwendung der folgenden Berechnungsvorschrift bestimmt
werden:
MNick = MB1 cos &phgr; + M52 cos (&phgr; + 120°) + M83 cos ( &phgr; + 240°) (6)
Zur Reduzierung oder Beseitigung eines vorhandenen Nickmoments werden an einem
Ausgang des Rotors 3 die von den Sensoren 7 erhaltenen Signale abgenommen und einem
Block 28 zugeführt, indem aus ihnen ein dem momentanen Istwert des Nickmoments entsprechendes Istsignal MNiok gebildet wird. Dieses wird in einem Vergleicher 29 mit
einem vorgegebenen Sollwert MNiet>
ref verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null
entsprechen kann. Die Regelabweichung wird einem Block 30 zugeführt, der an seinem
Ausgang analog zum Block 12 ein Signal /3V abgibt, das lediglich die Anforderung einer
bestimmten, von allen drei Rotorblättern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Blatteinstellwinkeleinstellung
beinhaltet, die geeignet ist, das momentane Nickmoment MNiok zu reduzieren bzw.
weitgehend zu kompensieren.
Eine geeignete Ausführungsform für diese Regelfunktion ist in Fig. 7 dargestellt, wonach
der Block 30 ein einfacher Integralregler mit der Verstärkung K12 sein kann, der aus der
Regelabweichung &agr;&Mgr;&ngr;;&lgr; den Wert /?v bildet. Unabhängig von der Verstärkung ist dieser
Regler in der Lage, ein konstantes Nickmoment zu kompensieren. Je größer die Verstärkung
gewählt wird, desto empfindlicher reagiert der Regler auf Änderungen des Nickmoments.
-14-
Das Signal ßv entspricht wie das Signal ßH einer Amplitude, mit welcher die Rotorblätter
4, 5 und 6 um einen voreingestellten, z.B. durch ß0 gegebenen Blatteinstellwinkel ft
zyklisch schwanken sollen. Dabei ist der Einfachheit halber angenommen, daß diese
Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4, 5 und 6 identisch sein kann, was im
allgemeinen besonders vorteilhaft ist. Das Signal j8v wird, da die Blöcke 28, 29 und 30
vorzugsweise in der Rotornabe montiert sind, direkt einem weiteren Eingang des Blocks
13 zugeführt, der es in Werte umwandelt, mit denen die oben beschriebenen Stelleinstellsignale
ftref modifiziert werden. Dabei erfolgt diese Modifizierung vorzugsweise nach
einer Steuerfunktion, deren Amplitude von der Größe des zu reduzierenden Nickmoments
und dem zeitlichen Verlauf der Umlaufbewegung des Rotors 3 abhängt. Die Steuerfunktion
ist wie die für das Giermoment vorzugsweise harmonisch, im Gegensatz zur Formel (1) jedoch durch folgende Cosinusfunktion gebildet:
cos [&phgr; + ], bzw. (7)
V/l
+ßv · cos [&phgr; + (8)
wenn zusätzlich die Größe ßQ verwendet wird.
Daraus folgt, daß sich für die Reduzierung des Nickmoments MNick ein cosinusformiger
Verlauf der Blattverstellungen ergibt, d.h. die durch das Signal 0V verursachte Änderung
der Blatteinstellwinkelstellungen ist für cos [&phgr; + (i-1) 360° / m] = ± 1 jeweils maximal
in dem einen bzw. entgegengesetzten Drehsinn und jeweils 0 für cos [&phgr; + (i-1) 360° / m]
= 0°, was z.B. der Fall ist, wenn das Rotorblatt 4 in Fig. 2 die Stellungen <p = 0°, 180°
bzw. 90°, 270° einnimmt. Eine Reduzierung eines positiven Nickmoments kann daher
z.B. durch Vergrößerung des Blatteinstellwinkels in der oberen Häute des Rotorkreises
nach Fig. 2 erreicht werden, da in diesem Fall die Schubkräfte kleiner werden. Umgekehrt
hat eine Reduzierung der Blatteinstellwinkel in der unteren Hälfte des Rotorkreises
dort eine Vergrößerung der Schubkräfte zur Folge.
Werden alle drei Signale ßH, ßQ und ßw gleichzeitig benutzt, wird zweckmäßig die
folgende Steuerfunktion vorgegeben:
* A ·f
m
m
wobei i, m, ßOi &bgr;&kgr; und ßv dieselbe Bedeutung wie in Gleichungen (1), (5) und (7) haben.
Bei Anwendung von Gleichung (9) und der beschriebenen Regelvorrichtung ergibt sich
einerseits der Vorteil, daß nur die beiden Signale ßH und ß0 von der Gondel zum Rotor 3
übertragen werden brauchen. Andererseits ist es vorteilhaft, daß die zur Reduzierung des
Nickmoments erforderliche Einstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 nicht die zur Herstellung
des gewünschten Giermoments benötigte Einstellung derselben Rotorblätter 4, 5 und 6 stört. Aus Gleichung (9) ist ersichtlich, daß für ßK = 0 nur die Gleichung (8) und
für |SV = 0 nur Gleichung (5) verbleibt. Außerdem kann irgendein Rotorblatt 4, 5 bzw. 6,
wenn es sich in der Position &phgr; = 0° oder &phgr; = 180° nach Fig. 2 befindet, nur zum
Nickmoment um die y-Achse, aber nicht zum Giermoment um die z-Achse beitragen,
während umgekehrt ein Rotorblatt 4, 5 bzw. 6, wenn es sich in der SteEung &psgr; = 90°
oder &phgr; = 270° befindet, nur zum Giermoment, aber nicht zum Nickmoment beiträgt. Das
ist in Gleichung (9) dadurch berücksichtigt, daß die Tenne mit den Ausdrücken
sin [&phgr; + (i-1) 360° / m] bzw. cos [&phgr; + (i-1) 360° / m] für bestimmte Winkel &phgr; jeweils
unabhängig davon Null werden, ob ßH, ßv selbst Null sind oder nicht.
Darüber hinaus kann gezeigt werden, daß sich bei Anwendung von drei Rotorblättern 4, 5
und 6 oder mehr keine gegenseitige Beeinflussung der durch /3H bzw. 0&ngr; verursachten
Blattverstellungen ergibt. Dies ist in Fig. 8 bis 10 schematisch anhand der mit Gleichung
(9) berechneten Werte für die Blatteinstellwinkel ft dargestellt.
Fig. 8 bis 10 enthalten jeweils vier Schaubilder a, b, c und d mit je drei Kurven. Dabei
sind die mit einer durchgezogenen Linie gezeichneten Kurven den Rotorblättern 4 bzw.
den Blatteinstellwinkeln /S1 usw., die mit einer gestrichelten Linie gezeichneten Kurven
dem Rotorblatt 5 bzw. dem Blatteinstellwinkel ß2 usw. und die mit einer strichpunktierten
Linie dargestellten Kurven dem Rotorblatt 6 bzw. dem Blatteinstellwinkel ß3 usw.
zugeordnet. Die Schaubilder e zeigen jeweils die resultierenden Momente über eine Rotorumdrehung.
Bild a von Fig. 8 zeigt schematisch für ß0 = 4, ßv = 1 und ßH = 0 (entsprechend einer
Voreinstellung für die Blatteinstellwinkel ß0 = 4° bzw. Blatteinstellwinkelamplituden ßv
von jeweils 1 °) mit je einer Kurve den mit Gleichung (9) berechneten Verlauf der
Stellwerte jSlref, j82jref und j83ref bzw. der diesen Werten folgenden Blatteinstellwinkel B1, R2
und B3. Alle Kurven schwanken zyklisch nach einer Cosinusfunktion um den mittleren
Wert &bgr; = 4°, wobei die Kurve für /S1 in der Position &phgr; = 0° beginnt, in der das zugehörige
Rotorblatt 4 parallel zur z-Achse steht (Fig. 2). Entsprechend befinden sich die
den Kurven ß2 und /S3 zugeordneten Rotorblätter 5 und 6 gleichzeitig in den Stellungen &phgr;
= 120° bzw. &psgr; = 240°.
Die Kurven MB1, MB2 und M83 in Bild b von Fig. 8 zeigen die zu den Bktteinstellwinkeln
nach Bild a gehörigen Schlagbiegemomente. Dabei ist angenommen und vorausgesetzt,
daß ein harmonischer Verlauf der Blatteinstellwinkeleinstellung eine annähernd ebenfalls
harmonische Änderung der Biegemomente MB1, M82 und M53 über eine Rotorumdrehung
erzeugt, was mit der Praxis gut übereinstimmt. Das mittlere Biegemoment, resultierend
aus einer gleichförmigen Windbelastung, bleibt natürlich erhalten. Größere Blatteinstellwinkel
führen dabei in der Regel zu kleineren Biegemomenten und umgekehrt, da dem Wind dann weniger bzw. mehr Angriffsfläche geboten wird.
In Bild b von Fig. 8 ist angenommen, daß die Blatteinstellungen nach Bild a zu Biegemomenten
führen, die um einen Mittelwert von 1 schwanken und zu Gesamtmomenten von 1 ± 0,1 führen können. Die maximalen und minimalen Werte der Biegemomente betragen
daher unter dem Einfluß von ßv jeweils 1,1 bzw. 0,9.
Die Vektoren der Biegemomente liegen nach Fig. 4 in der yz-Ebene (Rotorebene), so daß
t ·
- 17-
sie je eine auf die &zgr;-Achse und die y-Achse bezogene z- bzw. y-Komponente haben, wobei
die z-Komponente ausschließlich zum Giermoment und die y-Komponente ausschließlich
zum Nickmoment beiträgt. Gemäß Fig. 4 ergibt sich die z-Komponente des Biegemoments
von Rotorblatt 4 durch Multiplikation des Biegemoments M81 mit sin<p, die y-Komponente
durch Multiplikation mit cos<p. Zur Berechnung der entsprechenden Komponenten für die
Biegemomente der Rotorblätter 5 und 6 ist anstelle des Winkels &phgr; der Wert <p+120° bzw.
&phgr;+240° einzusetzen.
Da ßH = 0 vorausgesetzt ist, haben die von j8v = 1 verursachten Änderungen der Biegemomente
im Bild c jeweils Verläufe für die für das Giermoment verantwortlichen
z-Komponenten der Biegemomente zur Folge, die z.B. zu einem Wert MBlz = 0 in der
Stellung &psgr; = 0° des Rotorblatts 4 mit sin &phgr; = 0 und z.B. zu einem Wert MB1;Z = 1,0 in
der Stellung &psgr; = 90° des Rotorblatts 4 mit sin &phgr; = 1 führen. Umgekehrt zeigt Bild d,
daß die für die Nickmomente verantwortlichen y-Komponenten bei in der Stellung &phgr; — 0
befindlichem Rotorblatt 4 jetzt MBly = 0,9 (cos &phgr; = Y) ist, während in der Stellung
desselben Rotorblatts 4 bei &phgr; = 90 ° (cos &phgr; = 0) jetzt MBiy = 0 gilt. Für die beiden
anderen Rotorblätter 5 und 6 lassen sich die charakteristischen Werte aus den ihnen
zugeordneten Kurven entnehmen.
Bild e zeigt schließlich die gemeinsame Wirkung aller drei Rotorblätter 4, 5 und 6
während eines vollen Umlaufs des Rotors 3. Daraus ergibt sich, daß alle drei Rotorblätter
4, 5 und 6 zusammen ein resultierendes Giermoment von 0 (Linie 32) und ein resultierendes
Nickmoment von -0,15 (Linie 33) erzeugen. Unter der Voraussetzung ßy = 1 und
ßH = 0 wird daher erreicht, daß ohne Einfluß auf das Giermoment und die Windnachführung
eine Reduzierung eines vorhandenen positiven Nickmoments herbeigeführt wird.
Fig. 9 zeigt analog zu Fig. 8 in Bildern a bis e den Verlauf der entsprechenden Größen,
wenn ß0 = 4, ßv = 0 und /S11 = 1 gewählt wird. Ein Unterschied ergibt sich nur insoweit,
als in Bild a eine Sinusfunktion dargestellt ist. Die Kurve JS1, für das Rotorblatt 4
beginnt z.B. in dessen Stellung &phgr; = 0° mit R1 = 0. Ein weiterer wesentlicher Unterschied
besteht darin, daß in Fig. 9 das resultierende Nickmoment entsprechend einer linie 34 in
Bild e gleich Null ist, während gleichzeitig ein resultierendes Giermoment (linie 35) von
-0,15 erhalten wird.
-18-
Fig. 10 zeigt schließlich in Bildern a bis e analog den Fall ßQ = 4, ßv = 1 und /3H =
Hier überlagern sich die in Fig. 8 und 9 dargestellten Kurven derart, daß nach Bild e das
resultierende Nickmoment (Linie 36) den Wert -0,15, das resultierende Giermoment (Linie
36a) den Wert von -0,3 annimmt. Daraus ist ersichtlich, daß die zur Windnachführung
bzw. die zur Reduzierung oder Beseitigung störender Nickmomente beschriebenen
Maßnahmen unabhängig voneinander getroffen werden können. Weiterhin wird durch die
beschriebene zyklische Blattverstellung die vom Block 23 in Fig. 5 durchgeführte
Leistungsregelung nicht beeinträchtigt, da im zeitlichen Mittel stets der vom Block 23
vorgegebene mittlere Blatteinstellwinkel eingestellt wird. 10
Das beschriebene Verfahren zur Drehung der Gondel 2 kann außer zur unmittelbaren
Windrichtungsnachführung auch zur Drehung der Gondel 2 aus anderen Gründen verwendet
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verstellung der Gondel 2 kann beispielsweise bei
starker Fehlstellung der Gondel 2 eingesetzt werden. Dieser Fall tritt z.B. ein, wenn die
Windenergieanlage in Folge einer Flaute oder einer Störung abgestellt werden mußte und
anschließend die Windrichtung gewechselt hat. Da die Anlage in diesem Fall durch
Windkraft nicht mehr anlaufen kann, wird sie erfindungsgemäß zeitweilig über den
Generator 9 angetrieben, um eine zur Verstellung der Gondel erforderliche Mindestdrehzahl
des Rotors 3 zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Um den motorischen Hochlauf und Betrieb der Anlage zu ermöglichen, ist je nach Generatortyp eine Erweiterung der
elektrischen Einrichtung notwendig. Bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer genügt
z.B. der Einsatz eines Anlaufwiderstands, der so bemessen wird, daß der Generator 9 ein
motorisches Anlaufmoment in der Größenordnung von 10% des Nennmoments erreicht. Durch Drehen des Rotors 3 kann die Gondelverstellung unabhängig von der Anströmrichtung
auch bei Windstille durchgeführt werden.
Auf dieselbe Weise kann nach einer weiteren Anwendungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens gelegentlich eine erforderliche Entdrillung der im Turm 1 verlegten, zur
Übertragung der elektrischen Energie erforderlichen Kabel erfolgen, wenn diese z.B.
durch mehrfache Umdrehungen der Gondel 2 um die z-Achse in einer Drehrichtung
verdrillt wurden und durch mehrfaches Drehen der Gondel 2 um die z-Achse in der
- 19-
entgegengesetzten Drehrichtung wieder entdrillt werden müssen. Hierzu kann z.B. der
benötigte Entdrillungswinkel von Zeit zu Zeit am Ausgang des Sollwertgebers 17 vorgegeben
werden.
Fig. 11 und 12 zeigen die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung am
Beispiel von zwei Computer-Simulationen einer großen Windenergieanlage mit einer
Nennleistung von 1500 kW. Für beide Simulationen wurden Zeitverläufe der Windgeschwindigkeit
und der Windrichtung vorgegeben. Anhand eines mathematischen Modells der Windenergieanlage und der Regelung wurde das Verhalten der Anlage berechnet. In
beiden Abbildungen sind die folgenden Zeitverläufe dargestellt:
die mittlere Windgeschwindigkeit im Rotorkreis (Bild a), die elektrische Leistungsabgabe (Bild b),
die Rotordrehzahl (Bild c)
die Rotordrehzahl (Bild c)
- die mittlere Windrichtung im Rotorkreis und der Gondelwinkel (d) und
der Einstellwinkel des ersten Rotorblatts 4 (Bild e).
Fig. 11 zeigt das Verhalten der geregelten Windenergieanlage im Produktionsbetrieb bei
mittelstarkem bis starkem Wind. Die Regelung wurde dabei so ausgelegt, daß die elektrische Leistung auf ca. 1500 kW begrenzt (Bild b), die Rotordrehzahl auf einen
SoUwert von 20 U/min geregelt (Bild c) und die Gondel 2 der mittleren Windrichtung
nachgeführt wird (Bild d), wobei die Windrichtung durch eine Kurve 37 und der Gondelwinkel
durch eine Kurve 38 angedeutet ist.
Die Simulation zeigt, daß das geforderte Regelverhalten erzielt wird. Insbesondere wird
erkennbar, daß die Begrenzung der Leistung und die Nachführung der Gondel 2 gleichzeitig
möglich sind. Im Vergleich zu konventionellen, motorischen Windrichtungsnachführungssystemen
reagiert das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich schneller auf Änderungen der Windrichtung und erreicht dabei höhere Nachführungsgeschwindigkeiten. Bei sehr
schnellen Änderungen der Windrichtung erfolgt allerdings keine Nachführung, um die
Ausschläge der Blatteinstellwinkel und die mechanische Belastung der Windenergieanlage
gering zu halten. Am Verlauf des Blatteinstellwinkles (Bild e) zeigen sich die zur
Leistungsbegrenzung erforderlichen Eingriffe durch langfristige Änderungen, während die
zur Gondelverstellung notwendigen Stellausschläge periodisch zur Umlaufzeit des Rotors
(ca. 3 s) sind.
Fig. 12 zeigt das Verhalten der geregelten Windenergieanlage bei einem außerordentlichen
VersteUmanöver bei schwachem Wind (Bild a). Die Regelung hatte dabei die Aufgabe, die
Gondel entsprechend einer Kurve 39 in Bild d mit einer Verstellgeschwindigkeit von 2°/s
um 180° aus dem Wind (Kurve 40) zu drehen und nach einer kurzen Pause wieder in die
Ausgangsstellung zurückzudrehen. Ähnliche VersteUmanöver sind z.B. notwendig, wenn
die Gondel nach einer Flaute sehr ungünstig zum Wind ausgerichtet ist.
Aufgrund der geringen Windgeschwindigkeit und des starken Gondelfehlwinkels wurde in
der Simulation davon ausgegangen, daß der Rotor 3 durch den Generator 9 so angetrieben
wird, daß sich eine konstante Rotordrehzahl von 13 U/min einstellt. Der motorische
Betrieb des Generators ist durch die geringfügig negative Leistung zu erkennen. Die
Simulation zeigt, daß das geforderte VersteUmanöver präzise ausgeführt wird. Der
vorgegebene Positionsverlauf wird mit hoher Genauigkeit nachgefahren. Die dazu notwendigen Ausschlage des BlatteinsteUwinkels sind sehr gering und bewegen sich im
Bereich von ±1°.
Für die verschiedene Meßaufnehmer bzw. Sensoren kann weitgehend auf bekannte
Einrichtungen zurückgegriffen werden. Für die Messung der Generatordrehzahl eignen
sich z.B. optische Inkrementalaufnehmer. Für die Messung des Rotorwinkels wird z.B.
eine Zahnscheibe mit einem induktiven Aufnehmer vorgeschlagen. Die Zahnscheibe ist
fest mit der Gondel verbunden und umgibt die RotorweUe. Der induktive Aufnehmer rotiert mit der Nabe und tastet die Zahnscheibe ab. ZusätzUch ist eine spezieUe Markierung,
z.B. Zahnlücke, zur Festlegung der NuUposition vorzusehen. Der Gondelwinkel kann schließlich z.B. mit einem Getriebepotentiometer ermittelt werden, das in der Gondel
befestigt ist und über einen am Turm befestigten Zahnkranz angetrieben wird. Die
Übersetzung muß so gewählt werden, daß 2-3 Gondelumdrehungen je Richtung möglich
sind.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf
vielfache Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise braucht die Rotorachse &khgr; nicht
genau horizontal angeordnet sein. Vielmehr sind auch Anlagen mit schräg zur Horizontalen
stehender Achse bekannt. Entsprechend braucht die Turmachse &zgr; nicht ideal vertikal
angeordnet sein. Daher soll die in den Ansprüchen verwendete Wendung "im wesentlichen
horizontal" bzw. "im wesentlichen vertikal" alle diese möglichen Abweichungen einschließen.
Weiter sind Windenergieanlagen bekannt, bei denen die Gondel 2 fest an einem Turm montiert ist, der seinerseits um die z-Achse drehbar auf einem geeigneten Fundament
gelagert ist, oder bei denen ein stationär gelagerter Turm in einem oberen Abschnitt ein drehbares, mit der Gondel 2 fest verbundenes Teil aufweist. Die in der
Beschreibung und in den Ansprüchen benutzten Wendungen "drehbar am Turm 1 gelagerte Gondel 2" bzw. "frei drehbar am Turm 1 gelagerte Gondel 2" sollen daher alle
diese möglichen Ausführungsformen umfassen, da es im Hinblick auf die Erfindung unbedeutend ist, ob sich die Gondel 2 als Träger des Rotors 3 allein oder zusammen mit
dem Turm 1 oder Teilen davon drehen kann. Weiterhin könnte der Rotor anstatt luv- auch
leeseitig angeordnet sein.
Es ist ferner möglich und kann in Abhängigkeit vom Einzelfall auch sinnvoll sein, die
vom Block 13 in Fig. 4 erzeugten Sollsignale ßit ref mit Hilfe von modifizierten Gleichungen
(1), (5) oder (9) so zu definieren, daß sie im Vergleich zu den Rotorwinkeln &phgr;, bei
denen die durch sie vorgegebenen Blatteinstellwinkel /3f tatsächlich erreicht sein müssen,
mit einem gewissen zeitlichen Vorlauf erscheinen. Dies könnte insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die zur Blattverstellung verwendeten Einrichtungen eine gewisse
Trägheit besitzen und den vorgegebenen Sollwerten nicht beliebig schnell folgen können.
Realisiert werden kann ein derartiger zeitlicher Vorlauf z.B. dadurch, daß in den Gleichungen
(1), (5) bzw. (9) ein Phasenwinkel <pR eingeführt wird, der zu einer entsprechenden
Phasenverschiebung führt. Weiterhin gelten die beschriebenen Steuerfunktionen nur
für den Fall, daß die eingesetzten Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 eingebaute
Blatteinstellwinkelregelungen besitzen. Ist dies nicht der Fall, so müssen die Steuerfunktionen
an das Verhalten der Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 angepaßt werden. Denkbar
ist z.B., daß über die Verstelleinrichtung nicht der Blatteinstellwinkel selbst, sondern die
Verstellgeschwindigkeit eingestellt wird. In diesem Fall müßten die angegebenen Steuerfunktionen
zeitlich differenziert werden. Dies kann z.B. in Fällen zweckmäßig sein, in denen anstelle von Verstelleinrichtungen in Form von Servo- oder Schrittmotoren solche
nach Fig. 13 vorgesehen werden, die hydraulische Antriebe besitzen, wobei die Steuer-
-22-
funktionen auch nicht notwendig harmonisch sein müssen. Wichtig ist in allen Fällen, daß
die gewünschte Blatteinstellwinkeleinstellung erreicht wird und die Stellsignale j8iref
diejenigen Signale kennzeichnen, mit deren Hilfe dies ermöglicht wird. Anstelle der durch
die Gleichungen (1), (5) und (9) vorgegebenen Steuerfunktionen können z.B. dann auch
andere für geeignet gehaltene Steuerfunktionen verwendet werden, wenn Rotoren mit nur
zwei Rotorblättern oder nur einem einzigen Rotorblatt vorhanden sind, weil in diesen
Fällen bei vertikaler Stellung des Rotors kein Giermoment und bei horizontaler Stellung
des Rotors kein Nickmoment erzeugt werden kann und sich daher stets pulsierende Momentverläufe ergeben. Insbesondere Steuerfunktionen, die zwar zyklisch, aber nicht
harmonisch verlaufen, können hier zweckmäßig sein, z.B. solche mit dreieckigem oder
trapezförmigem Verlauf, wobei zusätzlich zu den Amplituden /3H und ggf. ßv noch andere
Parameter vorgegeben werden.
Die mit der Größe ß0 realisierte Leistungsbegrenzung kann auch auf andere Weise als
durch eine Blatteinstellwinkeleinstellung vorgenommen werden, in welchem Fall die
Größe ßo in den oben genannten Gleichungen und die zugehörigen Reglerteile in Fig. 5
völlig entfallen könnten. Im Hinblick auf das Nickmoment könnte sich femer als vorteilhaft
erweisen, den Sollwert MNickref in Fig. 5 nicht auf den Wert Null, sondern auf
einen vorgewählten, festen Wert einzustellen. Das dadurch erhaltene Nickmoment könnte
bei einem Rotor, der aufgrund seines Gewichts um die y-Achse nach unten drückt, dazu
benutzt werden, einen gewissen Ausgleich durch ein entgegengesetztes Nickmoment zu
erzielen. Schließlich versteht sich, daß die oben erläuterten Merkmale auch in anderen als
den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.
Claims (17)
1. Windenergieanlage, enthaltend einen Turm (1), eine am Turm (1) gelagerte und um
eine im wesentlichen vertikale Achse (z) drehbare Gondel (2), einen um eine im wesentlichen
horizontale Achse 00 drehbar an der Gondel (2) gelagerten Rotor (3) mit wenigstens
einem um seine Längsachse (a,b,c) drehbar am Rotor (3) gelagerten Rotorblatt (4,5,6),
eine Verstelleinrichtung für das Rotorblatt (4,5,6) und eine ein Stellglied aufweisende
Regelvorrichtung, mittels derer zur Drehung der Gondel (2) Signale j3iref erzeugbar sind,
die von der momentanen Gondelistposition und einer vorgewählten Gondelsollposition
abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel (2) frei drehbar am Turm (1) gelagert
ist und die Verstelleinrichtung das Stellglied der Regeleinrichtung bildet. 10
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale auch
von der momentanen Drehwinkelstellung des Rotors (3) abhängen.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3)
wenigstens zwei drehbar gelagerte Rotorblätter (4,5,6) aufweist, die mit als Stellglieder
der Regelvorrichtung ausgebildeten Verstelleinrichtungen versehen sind, wobei die
Stellsignale (jSi>ref) den Verstelleinrichtungen zugeführt werden und von der Gondelistposition
und der momentanen Drehwinkelstellung des Rotors (3) abhängig sind.
4. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rotorblätter (4,5,6) in Abhängigkeit von der Umlaufbewegung des Rotors (3) zyklisch
verstellt werden.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter in
Abhängigkeit vom Umlaufwinkel (&phgr;) des Rotors (3) harmonisch verstellt werden.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stellsignale (ßi>ref) eine mit der Periodendauer der Umlauf bewegung des Rotors (3)
übereinstimmende Periodendauer aufweisen.
7. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Erzeugung der Signale (ßi)ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Amplituden (Bj1)
aus der Differenz zwischen der momentanen Gondelistposition (7) und einer für die
Windrichtung charakteristischen Gondelsollposition (7ref) erhalten werden.
8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verstelleinrichtungen als Stellglieder einer zweiten Regelvorrichtung ausgebildet sind,
durch die die Signale (ßi)ref) zur Reduzierung des Nickmoments des Rotors (3) in Abhängigkeit
von dessen momentaner Drehwinkelstellung modifizierbar sind.
9. Windenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale
(ßiref) zyklisch modifiziert werden.
10. Windenergieanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stellsignale (ßiref) mit Hilfe von Steuerfunktionen modifiziert werden, deren Amplituden
(ßv) eine geschätzte Information über das Nickmoment des Rotors (3) enthalten.
11. Windenergieanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens
ein Rotorblatt (4,5,6) mit einem Sensor (7) zur Ermittlung einer für sein Schlagbiegemoment
(MB1,MB2,MB3) charakteristischen Größe versehen ist und die Stellsignale (ßiref) mit
Hilfe einer Steuerfunktion modifiziert werden, deren Amplituden (ßv) von der für das
Schlagbiegemoment (MB1,MB2,MB3) charakteristischen Größe abhängen.
12. Windenergieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rotorblätter
(4,5,6) mit einem derartigen Sensor (7) versehen sind und die Amplituden (ßv) der Steuerfunktionen
von für die Schlagbiegemomente (&Mgr;^,&Mgr;^,&Mgr;^) aller Rotorblätter (4,5,6)
charakteristischen Größen abhängen.
13. Windenergieanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoren (7) Dehnungsmeßstreifen enthalten.
-25-
14. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstelleinrichtungen als Stellglieder einer dritten Regelvorrichtung ausgebildet sind,
durch die die Stellsignale (j8iref) in Abhängigkeit von der Leistung und/oder Drehzahl des
Rotors (3) oder anderen Betriebsgrößen der Windenergieanlage zum Zwecke der Begrenzung
der elekrischen Leistung oder dem Schutz vor Überlastung der Anlage modifizierbar
sind.
15. Windenergieanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale
(jSiref) für alle vorhandenen Verstelleinrichtungen um denselben Wert (ß0) modifizierbar
sind.
16. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Windgeschwindigkeit für eine Drehung der
Gondel (2) zu gering ist, der Rotor (3) durch motorischen Betrieb des normalerweise von
ihm angetriebenen Generators (9) zumindest auf eine für den Betrieb der Regelvorrichtung
geeignete Drehzahl gebracht oder auf dieser gehalten wird.
17. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehung der Gondel (2) bei Überschreitung einer maximal zulässigen Anzahl von
Gondelumdrehungen in einer Drehrichtung durch Vorgabe eines entsprechenden Verlaufs
der Stellsignale (0i>rcf) zur Kabelentdrillung für eine entsprechende Anzahl von Umdrehungen
in der entgegengesetzten Drehrichtung durchgeführt wird.
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